lekciya_24

Лекция 24
Понятие контраста в растровом электронном микроскопе. Определение предельного разрешения РЭМ. Формирование топографического контраста в РЭМ.
Для того чтобы на экране ЭЛТ можно было наблюдать картину отображения образца,
необходимо, чтобы интенсивность свечения соседних пикселей была различной. Для того чтобы количественно описать это требование необходимо ввести понятие контрастности изображения.
Если в двух пикселях экрана 1 и 2 (для глаза это соответственно точки) величина одного и
того же вторичного излучения, в котором формируется отображение образца, различна по величине и, соответственно различен сигнал S, модулирующий яркость ЭЛТ, то принимается, что
существует контрастность изображения между этими точками и мерой контраста является величина
C
| S1  S2 | S

Sср
Sср
(24.1)
где S1 и S2 – сигнал от элементов изображения 1 и 2, Sср – усредненный по всем элементам уровень сигнала.
Так как картинка на экране ЭЛТ предназначена для человеческого глаза, то применим
критерий Рэлея: точки разрешаются (т.е. воспринимаются раздельно), если минимальная интенсивность в промежутке не больше ¾ максимальной интенсивности, т.е. S должно быть > ¼
Smax. Отсюда следует, что два соседних пикселя на ЭЛТ будут восприниматься раздельно,
если их контрастность С не меньше 0,25.
При сканировании электронного зонда по одному и тому же участку образца величина
будет меняться, так как коэффициент отражения и коэффициент вторичной электронной эмиссии являются статистическими величинами. Необходимо четко понимать: РЭМ – считывающее устройство дискретных событий. Для дискретных событий всегда существуют флуктуации в счете. Если n – среднее число отсчетов, то отклонение от среднего есть
n . Подобное
случайное изменение полезных сигналов называется шумом. Мера качества сигнала – отношение величины сигнала к шуму. Для рассматриваемого случая сигнал есть n – среднее число
электронов с элемента изображения, а шум –
n . Поэтому должно выполняться условие
dS  5 n .
Таким образом, для того чтобы контраст С имел место необходимо условие
dS
5

S
n
и, следовательно, n  25 / C 2
C
(24.2)
Величина n определяет минимальное значение среднего числа электронов, которые должны попасть за время t0 на каждый элемент изображения, при условии, что  = 1 и все вышедшие
из образца электроны попали в детектор, для того чтобы наблюдался заданный контраст.
Считая, что отношение сигнал/шум не меняется на этапах усиления сигнала и воспроизведения на экране ЭЛТ, можно оценить минимально необходимый ток электронного зонда.
Время нахождения зонда на элементе изображения t0 = tк /106, где tк – время сканирования
зонда по всему растру. Отсюда, считая, что образец обеспечивает контраст ¼, минимальный ток
зонда
I min
6
ne 25
1
19 10

 2 1,6 10
 6,4 1011 ,
t0 C
tK
tK
(24.3)
где Imin – в А, tк – в секундах.
Яркость электронных пушек  = 4I /2d 22 в настоящее время ~ 105 А/см2ср. Отсюда можно оценить диаметр пучка, т.е. размер элемента изображения. Для угла расходимости  = 510-3
радиан, tк = 100 с (больше сделать затруднительно из-за временной нестабильности тока зонда),
получаем d = 30 Å. Такому размеру элемента изображения отвечает увеличение М = 30 000.
Еще раз отметим, что приведенная оценка базировалась на следующих основных предположениях:
1. Образец способен создать контраст ¼.
2. Коэффициент электрон-электронной эмиссии = 1 и эффективность сбора электронов = 1.
Если любое из них не выполняется, то необходим больший ток электронного зонда, что
автоматически приводит к большим размерам элемента изображения, т.е. к худшей разрешающей способности РЭМ. Уменьшение d возможно при увеличении яркости. Именно по этому пути эволюционируют растровые электронные микроскопы. Использование автоэмиссионных катодов, имеющих большие значения яркости, выигрыша не дает из-за их временной нестабильности (маленькие tк).
Детектор
Электронный зонд
Формирование
графического
топо-
контраста
в
РЭМ обусловлено угловыми
характеристиками
отражен-
ных и вторичных электронов.
На рис. 24.1. показано фор1
2
3
4
мирование контраста в от2
раженных электронах. Для того чтобы исключить попадание в детектор вторичных электронов на его экран подается потенциал – 50 В. Так как максимальный выход отраженных электронов в случае наклонного падения направлен в направлении зеркального отражения, то с
участков образца 1 и 3 сигнала в отраженных электронах практически не будет. С участков 2 и
4 сигнал будет максимальным при расположении детектора, показанного на рисунке. Перемещая детектор, можно добиться того, что сигнал с участков 2 и 4 практически пропадет, а с
участка 3, наоборот, сделается максимальным. Величина контраста в приведенном примере
определяется различием в числе электронов, отраженных различными участками образца.
Формирование контраста во вторичных электронах показано на рис. 24.2. В этом случае на экран детектора подается потенциал + 250 В, который втягивает вторичные электроны
(синие стрелки) в детектор.
Детектор
Электронный зонд
1
2
3
4
Рис.24.2
Контраст во вторичных электронах формируется за счет того, что коэффициент выхода
вторичных электронов зависит от угла падения первичного пучка на образец () = /cos, где
 – коэффициент выхода вторичных электронов при облучении по нормали к поверхности. Поэтому количество вторичных электронов с участка 1 максимально, а с участков 2 и 3 примерно
равны друг другу. Следует иметь в виду, что отраженные электроны также попадут в детектор,
поэтому к контрасту во вторичных электронах добавляется контраст в отраженных электронах.
Поэтому максимальный сигнал с детектора даст участок 4 – большое количество как вторичных, так и отраженных электронов. Если переместить детектор, то ситуация может измениться.
Вторичные электроны способны создать очень большой топографический контраст.
Посчитаем контраст во вторичных электронах для двух участков образца, наклоненных относительно нормали к поверхности под углами 1 и 2. В этом случае контраст
3
1
1

i (α )  iвэ (α1 )
α   2 α 2  α1
cos α1 cos α 2
.
C  вэ 1
2
 2tg 1
tg
1
1
[iвэ (α1 )  iвэ (α1 )] / 2
2
2

cos α1 cos α 2
При 1 = 30о и 2 = 60о получается величина контраста C = 0,54. Даже при близких углах,
например, 1 = 60о и 2 = 65о C = 0,17.
Вышеприведенные выводы проиллюстрированы микрофотографиями, полученными при
разных режимах работы РЭМ.
На рис. 24.3 приведены фотографии одного и того же
участка напыленной золотой пленки, снятые при одинаковом
увеличении М = 36 000 при различных ускоряющих напряжениях.
Видно, что разрешение лучше при большем ускоряющем
напряжении.
Рис. 24.3
На рис. 24.4 приведены фотографии одного и того же участка
керамического образца, снятые при одинаковом увеличении М =
5400 и ускоряющем напряжении 10 кВ при различных значениях Iз.
Видно, что большим значениям тока соответствует лучшее
разрешение.
Рис. 24.4
4
Влияние расположения детектора показано на фотографиях,
приведенных на рис. 24.5.
Снят один и тот же участок поверхности асбестовой нити при
увеличении М = 2 200, ускоряющем напряжении 7 кВ при различных ориентациях детектора.
Рис. 24.5
5